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美格基因·厌氧生物｜Nature正刊！承磊研究员团队利用高效高通量技术找寻“隐藏”的甲烷古菌
发布时间：
2024-07-30
历时7年！首次分离获得Verstraetearchaeota（佛斯特拉门）古菌纯培养物Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6
2024年7月24日，沼气科学研究所承磊研究员带领的厌氧微生物创新团队联合荷兰瓦赫宁根大学等多家单位，发现并分离培养了一种新型产甲烷古菌，相关成果以“广古菌门以外甲基还原产甲烷古菌的分离（Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota）”为题发表在《自然（Nature）》。
产甲烷古菌在地球生命起源进化、全球气候变化和碳素循环中起着重要作用。传统观点认为产甲烷古菌隶属古菌域广古菌门（Euryarchaeota）。近年来基于高通量测序的宏基因组学研究，提出自然界中广泛分布着非广古菌门的产甲烷古菌，并推测这些新型的产甲烷古菌具有发酵生长、硫氧化等非甲烷代谢潜能。但迄今为止，这些古菌处于“暗物质”状态，一直没有纯培养物，无法进一步研究它们的碳代谢功能。
科研团队历时7年，利用自主研发的鸡尾酒分离法，在含有乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、烷烃等底物的基础培养基中，在45至65℃范围内厌氧培养下，Methanosuratincolia相对丰度达到8.1至82.5%。随后在55℃温度下在96孔板进行连续稀释，在持续数年的培养后古菌多样性减少到一种（图1a），后续通过连续稀释并补充抗生素的方式去除细菌，最终首次分离获得Verstraetearchaeota（佛斯特拉门）古菌纯培养物Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6（图1c-f）。
通过13C-同位素标记培养、NanoSIMS和膜脂分析，证实了该古菌具有氢依赖代谢甲基类物质产甲烷的生理功能(图2)，并摸索出菌株LWZ-6的最佳产甲烷条件为温度在55℃、pH值在6.0-7.0之间和NaCl浓度为9gl−1。通过Nanopore与Illumina测序获得菌株LWZ-6基因组完成图，发现包含了完整的mcrABG，mtaABC，hdrD和glcD等产甲烷基因，且转录组分析这些基因丰度表达在Top 1%，验证了菌株LWZ-6的氢依赖性甲基营养甲烷生成活性（图3）。
通过培养实验验证菌株LWZ-6可以利用甲醇和甲胺还原氢气进行产甲烷生长，但不具有发酵生长能力，意味着菌株LWZ-6为严格的依赖氢的甲基营养型产甲烷古菌。本研究发现的新型产甲烷古菌，将为研究全球碳循环机理和低碳技术研发提供了新型生物资源基础，同时也是我国在厌氧古菌资源领域的一个重大突破。
该研究工作得到国家自然科学基金“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划（培育和集成）、中国农业科学院科技创新工程、四川省科技创新群体等项目支持。
与此同时，蒙大拿州立大学（Montana State University）的Roland Hatzenpichler团队在与我们背靠背投递的研究论文（文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07631-6），也富集培养到了Verstraetearchaeota（佛斯特拉门）的Candidatus Methanosuratincola verstraetei 的富集培养物，透过冷冻电子断层扫描揭示其具有古菌鞭毛和化学受体阵列的球菌，并且能够形成连接两到三个细胞的细胞间桥等有趣细胞交流现象。这一系列进展凸显了国内外科研团队对该领域发展的高度关注与积极投入，正携手推动该领域不断迈向新的创新突破。
高通量微生物分离培养服务
菌株分离从来都是微生物领域研究的重点和难点，需采用多种培养方案，结合MALDI-TOF质谱检测和16S rRNA基因测序为鉴定手段，从样本中大规模分离培养微生物的方法组学，被用于获得样本中大量微生物物种，包括“未培养微生物”或“难以培养微生物”。但传统的培养组学从复杂的微生物生态系统中分离微生物时仍存在劳动密集型、程序繁琐和效率低下等缺点。
美格基因与厌氧生物首席科学家承磊团队联合推出：高通量微生物分离培养服务，该服务是以培养组学作为技术基础，同时利用高通量智能化设备，可以从人体、动物、土壤、水体、发酵食品、植物等多种来源中分离、鉴定和培养样品中所含微生物。其克服了传统培养组学的不足，极大提升交付速度和标准。获得的微生物实物可用于研究其生长特性、生理功能、代谢功能、与宿主和环境的相互作用等，或与测序结果互为补充以更真实全面反映样品的微生物组状态。
本服务包括【非定向微生物分离培养服务】和【定向微生物分离培养】。前者着重尽可能分离得到样品中存活的不同微生物物种，后者主要分离特定生物学分类或具有特定功能的目标微生物，如芽孢杆菌属、双歧杆菌属或乳杆菌科等。
产品名称 | 交付物种 | 适用样本类型 |
非定向微生物分离培养服务 (医学) | 单样本可交付 100个物种 (以人体粪便为例) | 粪便、尿液、乳汁、唾液、皮肤拭子等 |
非定向微生物分离培养服务 (环境) | 单样本可交付数百个物种 | 土壤、底泥、污泥、沉积物、污水、滤膜、非污水水体、生物被膜等 |
定向微生物分离培养服务 | 芽孢杆菌属、双歧杆菌属、乳杆菌科等 | 粪便、尿液、乳汁、唾液、皮肤拭子、鼻腔拭子、土壤、底泥、污泥、沉积物、污水、滤膜、非污水水体、生物被膜、根、茎、叶等 |
1.因样本异质性，最终交付物种数、菌株数以实际为准。
2.超出上述范围的分离需求，报价和实验方案一事一议。
该产品的技术优势主要如下：
1. 交付标准高
开创性以不同物种数量或指定目标菌株作为交付标准，旨在切实满足用户科研需求。
2. 交付速度快
人体粪便样品1个月内交付50个物种；环境样品1个月内交付数百个物种（实际以样品类型和质量而异）。
3. 物种数量多
人体粪便样品可交付100个物种；环境样品可交付数百个物种（实际以样品类型和质量而异）。
4. 菌株信息全
每一株菌的16S序列信息、注释拉丁名、相似度、培养条件信息。
我们采用实物菌株+结题报告的交付模式。在业务范围内承诺交付客户指定数量物种或者指定目标菌株以及相关物种信息。为后续的研究工作提供有力的支持。
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